談鋼結構的腐蝕和防護

史華偉

1 概述

在21世紀，鋼材是最重要的結構材料之一，其應用遍布于國民經濟的各個領域。與鋼筋混凝土等傳統建材相比，鋼結構具有力學性能好、承載性能強、制造簡易，易于工業化生產、施工安裝周期短等優勢。另外，鋼材的可重復利用，也充分體現了綠色環保、可持續發展的理念。但鋼材的腐蝕現象普遍存在，腐蝕使鋼材的抗冷脆性能下降、疲勞強度降低，帶來的人員和財產損失也十分巨大。因此，對鋼材的腐蝕應給予足夠的關注。

2 鋼材的腐蝕機理

2.1 腐蝕的基本過程

鋼材的腐蝕源于熱力學性質的不穩定。鋼是鐵制成的，而鐵是在高爐中用碳對赤鐵礦(Fe2O3)還原而得到的。這一過程可用一個簡單的化學反應式表示如下:

上述反應在極高溫度下發生，也需要大量的能量，生成的最終產物和最后的鋼是不穩定的。當暴露于潮濕及有氧的環境中時，鋼將趨向于恢復成原有的形態:

鋼的表面只能形成極弱的保護層，在存在濕氣和氧的情況下，就會產生屬于電化學性的腐蝕，過程基本上和電解質電池相同。在自然暴露的情況下通常可表示如下:

鐵離子和羥基離子反應生成不穩定的氫氧化鐵，最終氧化成為鐵銹。

2.2 腐蝕環境

在潮濕的庫房中放置一塊鋼板，表面會生銹，但同樣的鋼板放置到土中，生銹的程度就會更迅速，也嚴重得多。可見腐蝕的程度和速度依賴于所處的環境。

2.2.1 大氣腐蝕

空氣中有足夠的氧，因此相對濕度和污染物對鋼材在大氣中腐蝕影響巨大。相對濕度較高而沒有SO2等污染物時腐蝕程度較小。

SO2對鋼并不產生直接的腐蝕作用，而是生成硫酸亞鐵之類的腐蝕鹽類，通過復雜的化學反應產生腐蝕，同時還可以在鋼材表面上進一步吸收濕氣，加劇腐蝕。

2.2.2 水的腐蝕

在無氧條件下一般不會發生水腐蝕。水的pH值通常在中性范圍內，但有時會呈酸性，此時對鋼的腐蝕性較大。水中溶解的固體會影響水的電導率、硬度和pH值，而硬度決定了在鋼材表面形成保護層的能力。水中溶解的氣體尤其是氧和二氧化碳與有機物，同樣也會對腐蝕的類型和程度產生重要的影響。

2.2.3 土壤腐蝕

土壤中腐蝕的電化學過程也依賴于水分的存在，但過程更為復雜。一般電阻高的土壤腐蝕最輕微。干燥的、沙質的和巖石類的土壤就屬于這一類。而電阻低的土壤如黏土、淤積土和所有的鹽堿灘，則更具有腐蝕性。

3 防腐措施

對于鋼結構構件的防腐，需要先根據GB 50046工業建筑防腐蝕設計規范等確定腐蝕環境的等級，再確定防腐蝕措施的預期壽命(開始使用到第一次大修的時間)，從而確定基材表面處理方法和等級，選擇防腐蝕方法和措施。

鋼材的防腐蝕方法大致可分為四大類。

3.1 涂層防腐

這是目前鋼結構中采用的最普遍、最常用的方法。涂料基本上是由固體顆粒即顏料彌散分布于液體中形成的。當涂料被混合后涂于鋼材上時，液體涂料逐漸干燥并把顏料粘結起來成為緊密結合的固化膜，使鋼材不能受有害介質的侵蝕。普通涂層可起到將鋼材與環境隔離的作用，防銹底漆則可抑制鋼材基體被腐蝕，而富鋅涂料還可通過電化學作用進行保護。由于不受鋼結構尺寸的限制，使用起來較為方便，還具有裝飾美化的作用。但是涂層的耐久性較差，經過一定時間需要進行維修。

3.2 鍍層防腐

大多數情況下，有色金屬比鋼材的耐腐蝕性好，但其價格較為昂貴。常用于提高鋼結構抗腐蝕性能的是鋅和鋁，其中鋅的使用更為廣泛。鍍層防腐可使用熱浸鍍、噴鍍、電鍍和擴散鍍等施工方法，在鋼材表面用金屬鍍層保護。在受大氣腐蝕較嚴重且不易維修的輸電塔、通訊塔等以及房屋結構中的壓型鋼板防腐中經常采用鍍層防腐，這種方法耐久年限長，生產工業化程度高，質量也比較穩定。

3.3 自身防腐

鋼材本身防腐蝕，即選用耐候鋼。耐候鋼是一種低合金結構鋼，在普通鋼中加入磷、銅、鉻、鎳等耐腐蝕元素而形成，使鋼材表面形成致密和附著性很強的保護膜，阻礙銹蝕往里擴散和發展，保護銹層下面的基體，以減緩其腐蝕速度。

3.4 陰極保護

對于水下和地下鋼結構，一般采用陰極保護的方法，有外加電流式(對于裸露的鋼構件實施外加電流)和犧牲陽極式(利用比鋼材的電位更負的金屬和合金制成犧牲性的陽極，從而使鋼結構本身免遭腐蝕)兩種形式。其中第一種方式需要消耗大量的保護電能，對于整個系統來說并不經濟。

4 結語

鋼材的腐蝕普遍存在，若鋼結構為采取防腐蝕措施或是措施不當，由于氧和水分的電化學作用，將使構件銹蝕，降低鋼結構的承載力，縮短使用壽命，影響結構的耐久性，嚴重的話還會造成很大的資源浪費，給國家帶來巨大的經濟損失，并威脅到人民的生命財產。因此無論在設計、施工還是使用上，都要綜合考慮建筑所處環境條件、結構特點、成本等多種因素，采用最有效的防腐措施以避免鋼材銹蝕帶來的危害。

［1］ 沈祖炎.房屋鋼結構設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

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